手性離子摻雜的液晶光柵研究

張蒙蒙

摘要：將負性液晶和手性離子液體按照一定的比例均勻混合后灌入雙面垂面排列的液晶盒中，給液晶盒施加頻率為4Hz，電壓有效值最大為15V的交流電以誘導取向，從而使液晶分子形成液晶光柵，隨后施加直流偏置電壓于交流正弦波信號源上，隨著所施加的偏置電壓有效值逐漸增大，液晶光柵周期逐漸減小，實驗結果表明當直流偏置電壓的幅值逐漸增加的時候，液晶光柵周期逐漸的減小。希望該文能夠對未來光柵周期的調整提供一個方向。

關鍵詞：液晶光柵;手性離子液體;光柵周期;偏置電壓

中圖分類號：TP3 ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）17-0193-02

液晶由于既具備液體的流動性又具備晶體的各向異性其作為一種特殊的材料在顯示行業被廣泛地應用。基于液晶的可控光柵因其優越的優勢（例如易于制造和操作）而備受關注。可調光柵在顯示器、傳感器和可調激光器上面具有很大的發展潛力[1-6]，液晶光柵有分辨率高、體積小、衍射特性改變方便、偏振特性電壓可調、功耗小、工作電壓低等優點，在濾波器、光纖通信、三維視覺測量系統、空間光通信、圖形處理、光譜測量等方面具有廣泛的應用，近年來隨著聚合物高分子新材料的問世和液晶研究方面取得的進展出現了液晶/聚合物光柵（PDLC），用相分離方法制備的PDLC體系中的電控原理是通過某種物理的或者化學的方法使向列相液晶以微米尺寸的液滴均勻分散在高分子聚合物中，國內液晶/聚合物光柵的制造水平比較先進，長春光學精密機械與物理研究所的馬驥、任洪文等人分別利用光固化相分離法、光刻法、全息法等[7-9]制備PDLC光柵，一級衍射光的衍射效率可達到百分之40以上，聚合物分散液晶器件的制作簡單、轉換速度快、不需要偏振片但是所需要的驅動電壓高，為了降低驅動電壓出現了網絡穩定液晶技術（PNSLC），可以顯著的改善液晶的性能而且還可以用來制作各種新型的液晶光學器件。最早在中國應用的是2005年的宋靜等人[10]，液晶光柵是通過光掩膜法控制液晶中聚合物的分布而制備的，并且增強了光柵技術的應用，研究和開發推廣。本文所研究的基于手性離子摻雜的電控液晶光柵制備方法簡單，驅動電壓低并且液晶光柵周期連續可調，不需要特殊的液晶盒基板電極處理和復雜的驅動電路設計，在未來可調光柵領域具有潛在的應用價值。

1 實驗

1.1 實驗材料

1-丁基-3甲基咪唑-L乳酸鹽 ?上海成捷化學有限公司。

負性液晶BHR21100-200，熔點Tm<-40.0℃，清亮點Tn=74℃，黏度（20.0℃）Vs= 13.0mm2.S-1，介電各向異性參數（25℃，1.0KHz）Δε= -0.53北京八億時空液晶股份有限公司。

1.2 樣品的制備

將手性離子液體摻雜到負性液晶BHR21100-200中得到膽甾型液晶，其配比為BHR21100-200：CIL=99/1（%）。

在配制好的樣品中加入磁力轉子，放在磁力攪拌器中攪拌兩個小時，攪拌時候的溫度設置在液晶的清亮點以上，待樣品均勻混合之后，利用毛細吸管的虹吸現象將樣品灌入厚度為（9.0±0.1）μm的雙面垂面排列的液晶盒中待用。

1.3 實驗基本裝置

將灌好樣品的液晶盒放在偏光顯微鏡的載物臺上，液晶盒的外部驅動電壓由信號發生器提供，由于信號發生器產生的電壓幅值有限，所以在信號發生器和液晶盒之間使用高壓放大器來達到所需要的電壓幅值，使用偏光顯微鏡與電腦相連接的CCD記錄并保存圖像，基本裝置如圖1所示。

2 外加電壓液晶分子結構重取向模型

液晶指向矢是整個體積內液晶分子指向的平均方向，液晶分子的指向矢與位置有關，液晶分子指向矢在電場中的轉動在一方面表明了電場能夠改變液晶分子指向矢的方向，外加的電場或者磁場使得液晶有沿著外場取向或者垂直于外場取向的趨勢，其規律在于滿足自由能最小的狀態，在本次試驗中，給液晶盒施加頻率為4Hz的正弦交流電壓，電場改變了液晶分子指向矢的方向，液晶分子的排列因受到電場力而發生了改變，當施加的電壓有效值達到15V的時候，液晶分子的螺旋軸平躺在基板上，如圖2（a）所示，保持其他實驗條件不變，給液晶盒施加一個直流偏置電壓，隨著所施加的直流偏置電壓幅度的增加，指向矢與基板之間的角度逐漸地增大，直至液晶分子螺旋軸與基板方向成90°。

圖2（a）為加電之后，閾值電壓的時候螺旋軸平躺在基板上面;（b）→（i）在電場的作用下，液晶分子螺旋軸的方向發生改變，分子螺旋軸與基板之間所成的角度逐漸增大;（j）液晶分子的螺旋軸完全垂直于基板，與基板之間的角度為90°。

3 結果與討論

在實驗過程中我們發現，當直流偏置電壓的幅值逐漸地增加的時候，液晶光柵周期在逐漸地變窄，并且光柵之間的間隔也在逐漸的變小，這與我們預期的猜想是一致的，直到圖3（f）光柵完全消失不見，從圖中可以看出，當直流偏置電壓幅值從0mv增加到150mv的時候，液晶光柵周期從13.41μm減小到了11.52μm。

圖3的箭頭代表液晶分子的初始指向矢n0，（a）→（f）對應了圖2（a）→（j）的過程，在上圖中，我們可以看到光柵周期明顯的減小，這是由于液晶的電控雙折射效應，使得液晶分子在電場的作用下發生指向矢角度的轉變，轉變的角度與外加電場的強度之間存在著一定的線性關系。

光柵周期隨偏置電壓幅值變化的折線圖見圖4，從圖4我們可以看出隨著幅值的增加，液晶光柵周期逐漸的減小，這與我們的理論猜想和圖3是相對應的。

4 應用以及今后的研究

在負性液晶里面摻雜手性離子可以制備出光柵周期可調的液晶電控光柵，光柵周期的大小可以根據所施加的直流偏置電壓的幅值來調節，所需要的直流偏置電壓的驅動是非常的小的，便于調節，并且手性離子液體作為綠色溶劑，是可以反復的回收利用的，有利于推動綠色化學的發展，本文的研究希望對未來器件的設計，光柵周期的調整提供一定的方向。

參考文獻：

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